Resumen
Este proyecto describe el proceso de diseño de todo el sistema electrónico que incorpora una impresora 3D del tipo FFF (Fused Filament Fabrication). El proyecto se ha llevado a cabo de manera profesional en Fundació privada centre CIM, centro adscrito a la Universidad Politécnica de Cataluña, concretamente en el área de BCN3D Technologies. El objetivo principal del proyecto ha sido lanzar un producto al mercado como la impresora 3D BCN3D Sigma de la cual se han fabricado y vendido alrededor de 500 unidades en 6 meses a fecha de redacción de este documento.
A pesar de que el mercado de la impresión 3D a nivel doméstico es relativamente joven, la rápida proliferación de pequeñas empresas que ofrecen sus impresoras a precios inverosímiles y dado que las grandes compañías tecnológicas marcan las ventas, el mercado empieza a estar saturado. Por este motivo, cualquier empresa que quiera empezar en este sector debe disponer de un rápido proceso de diseño para introducir su producto en el mercado. A nivel de hardware esto implica importar desde Asia y subcontratar al máximo con soluciones que el resto de la competencia ya incorpora.
El objetivo secundario ha sido constatar la viabilidad de diseñar hardware en empresas pequeñas y medianas que realizan producto. No solo a nivel económico, sino también a nivel de conocimiento y personalización del producto.
Por lo tanto, en este proyecto se documenta el proceso de dimensionado de los diferentes sistemas electrónicos, diseño propio del hardware, validaciones y proceso de fabricación en serie.
Actualmente, en mi opinión, la realización de este proyecto nos ha proporcionado un know-how muy valioso. Se conoce la cadena de procesos, desde el diseño hasta la fabricación en serie y esto permitirá mantenerse y ofrecer productos más competitivos con la innovación como distintivo.
El diseño de hardware no se encuentra dentro del plan de estudios de ingeniería industrial, por lo que la búsqueda de información fiable y los métodos empleados se basan muchas veces en experiencia de otros diseñadores y buenas prácticas.
La curva de aprendizaje ha sido elevada. Pero como resultado destacaría que ahora me siento capaz de afrontar nuevos retos de diseño de hardware.
Sumario
RESUMEN ___________________________________________________ 1
SUMARIO ____________________________________________________ 3
1.
GLOSARIO _______________________________________________ 7
2.
PREFACIO _______________________________________________ 9
2.2.
Origen del proyecto ... 9
2.3.
Motivación ... 9
2.4.
Requerimientos previos ... 10
2.4.1. Cómo funciona la impresión 3D del tipo FFF ... 11
3.
INTRODUCCIÓN _________________________________________ 13
3.1.
Objetivos del proyecto ... 14
3.2.
Alcance del proyecto ... 14
3.3.
Análisis de antecedentes ... 14
3.3.1. Problemas de hardware encontrados ... 16
3.3.2. Limitaciones ... 17
4.
ESPECIFICACIONES ______________________________________ 19
4.1.
Dimensión y estructura del sistema electrónico ... 19
4.2.
Listado de especificaciones... 20
5.
ALTERNATIVAS DE DISEÑO _______________________________ 21
6.
DISEÑO DEL HARDWARE _________________________________ 22
6.1.
Mainboard ... 22
6.1.1. Fuente de alimentación conmutada ... 22
6.1.2. Subsistema digital ... 25
6.1.3. Subsistema analógico ... 31
6.1.4. Salidas de potencia ... 41
6.1.5. Protecciones ... 48
6.2.
Stepper driver ... 53
6.2.1. Generalidades sobre los motores paso a paso ... 53
6.2.2. Selección de drivers ... 55
6.2.3. Regulación de la corriente y disipación de potencia ... 58
6.2.4. Microstepping ... 59
6.3.
Extruder Board ... 60
6.5.
Cableado e inter-conexionado ... 64
6.6.
Selección de componentes comerciales ... 67
6.6.1. Fuente de alimentación ... 68
6.6.2. Pantalla LCD táctil... 71
6.6.3. Módulo memoria SD ... 73
7.
DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO __________________________ 74
7.1.
Consideraciones en el diseño de PCBs ... 74
7.1.1. Distribución de componentes ... 74 7.1.2. Trazado de pistas ... 75 7.1.3. Vías y planos ... 77 7.1.4. Alimentaciones y masas ... 77 7.1.5. Compatibilidad electromagnética ... 807.2.
Software y librerías ... 82
7.3.
Layout ... 83
8.
INDUSTRIALIZACIÓN _____________________________________ 90
8.1.
Generación de documentación ... 90
8.1.1. Reglas de diseño ... 928.2.
Fabricación y ensamblado ... 92
8.2.1. Circuito Impreso ... 92 8.2.2. Montaje de componentes ... 938.3.
Verificación y programación ... 95
8.4.
Trazabilidad ... 96
8.5.
Reparación y mantenimiento ... 97
9.
TEST Y VALIDACIÓN_____________________________________ 100
9.1.
Comprobación de los diferentes subsistemas ... 100
9.1.1. Mainboard ... 101
9.1.2. Stepper Driver y Extruder Board ... 108
9.1.3. Heated Bed ... 108
9.2.
Pruebas compatibilidad Electromagnética ... 109
9.2.1. Introducción y objetivos ... 109 9.2.2. Composición de la norma ... 109 9.2.3. Conexionado USB ... 110 9.2.4. Entrada de alimentación ... 111 9.2.5. Pantalla ... 112 9.2.6. Bad Grounding ... 115
10.
PRESUPUESTO ECONÓMICO _____________________________ 117
11.
IMPACTO MEDIOAMBIENTAL _____________________________ 119
11.1.
Normativa RoHS ... 120
11.2.
Normativa Europea WEEE ... 120
12.
DOCUMENTACIÓN Y OPEN SOURCE _______________________ 121
13.
FUTURO DEL PROYECTO ________________________________ 123
CONCLUSIONES ____________________________________________ 125
AGRADECIMIENTOS _________________________________________ 127
BIBLIOGRAFÍA _____________________________________________ 129
Referencias bibliográficas ... 129
1.
Glosario
FFF: “Fused Filament Fabrication” SLS: “Selective Laser Sintering” DIY: “Do It Yourself”
CNC: “Computer Numeric Control” THT: “Through Hole Technology” GPL: “General Public Licence” STL: “Stereolitography”
NIST: “National Institure of Standards and Technology” EIA: “Electronic Industry Association”
ESR: “Equivalent Series Resistance” NTC: “Negative Temperature Coeficient” USB: “Universal Serial Bus”
IDE: “Integrated Development Environment” ERP: “Enterprise Resource Planning” ADC: “Analogic to Digital Converter” ABS: “Acrilo-nitrilo Butadieno Estireno” PLA: “Ácido Poli-láctico”
FET: “Field Effect Transistor” PWM: “Pulse Width Modulation” TTL: “Transistor to Transistor Logic” LED: “Light Emitting Diode”
RGB: “Red Green Blue” CSM: ”Current Shunt Monitor” SPI: ”Serial Peripheral Interface“ I2C: “Inter-Integrated Circuit“
UART: “Universal Asynchronous Receiver-Transmitter” ESD: “Electrostatic Discharge”
BOD: “Brown-out Detector” FFT: “Fast Fourier Transform”
2.
Prefacio
2.2. Origen del proyecto
El proyecto tiene origen en el área de la Fundacio Privada Centre CIM denominada RepRapBCN. Esta área nació con el objetivo de propagar el proyecto mundial Open Source RepRap. Tiene como objetivo democratizar la fabricación aditiva mediante impresoras 3D que se replican, es decir, que son capaces de fabricar piezas para otras impresoras.
Cabe decir que las conocidas como impresoras 3D no son más que máquinas cartesianas de control numérico que como herramienta incorporan un sistema de fusión de plástico. Esta tecnología ya era conocida y explotada por empresas que sostenían las patentes. Alrededor del 2006 estas patentes expiran y el doctor Adrian Bowyer, junto con algunos colaboradores diseñan la primera máquina del proyecto RepRap llamada Darwin. A partir de ahí, cientos de personas se suman al proyecto y cada uno implementa una serie de mejoras o modificaciones que hacen propagar el proyecto y la tecnología.
En algún momento de años posteriores, llega un estudiante con una beca Leonardo a la Fundació CIM. Este estudiante, interesado en el proyecto RepRap, propone la construcción de una impresora 3D utilizando las máquinas profesionales de SLS (Selective Laser Sintering) de las que la Fundació dispone para hacer el primer juego de piezas mecánicas. El resultado fue muy bueno y a partir de ahí se empezaron a fabricar más impresoras con las que ya había montadas. El proyecto siguió creciendo ya que se hacían talleres para que cualquiera pudiera montarse una impresora y llevársela a casa.
El proyecto continuó creciendo sin parar hasta la actualidad en la que RepRapBCN se convirtió en BCN3D Technologies, un área de Fundació CIM encargada de diseñar, fabricar y distribuir máquinas de fabricación digital, siempre bajo la filosofía Open Source.
2.3. Motivación
Llegó un momento en el proyecto en que se tuvo que plantear dar un paso cualitativo y cuantitativo para poder mantener la estructura y seguir creciendo. Anteriormente todos los diseños que realizábamos tenían un carácter DIY y/o maker, utilizando muchos componentes prefabricados e importados de Asia.
Por este motivo se decidió invertir y realizar un producto profesional, acabado y personalizado según nuestras especificaciones, intentando en la medida de lo posible que los proveedores fueran de proximidad.
A nivel electrónico, existen multitud de placas controladoras que son configurables para adaptarse a cualquier tipo de máquina y de hecho, una de ellas es la que veníamos utilizando para todos nuestros anteriores productos. Cabe decir que el rendimiento no era el idóneo y muchas veces nos veíamos limitados para implementar nuevas funciones.
Una vez realizada la lista de especificaciones y empezar con el proceso de diseño, realicé una propuesta para diseñar íntegramente el sistema electrónico del nuevo modelo de impresora 3D.
Personalmente, mi principal motivación fue la de aprender a diseñar hardware. Me pareció (y me parece) un tema apasionante, del cual no existen unas leyes o fórmulas universales. Por lo que he podido ver, cada ingeniero va recopilando una serie de técnicas y buenas prácticas a medida que gana experiencia diseñando.
Por otra parte, uno de los muchos beneficios de diseñar hardware a medida es poder controlar todo el proceso productivo, abaratar los costes y ser responsable de las actualizaciones y mejoras. Todo esto sin contar por supuesto con el know-how adquirido.
2.4. Requerimientos previos
Antes de abordar un proyecto como el descrito en esta memoria, es necesario formarse e informarse en algunos aspectos básicos sobre el diseño de hardware, así como por ejemplo la utilización del software, búsqueda y selección de componentes y contacto con fábricas de circuitos impresos y ensambladores.
Como se eplicará con más detalle en apartados posteriores, este proyecto reúne muchas de las disciplinas de la especialidad de electrónica, por lo que es necesario conocer y sentirse cómodo con los conceptos básicos de electrónica digital, analógica y de potencia.
También es imprescindible tener experiencia con cualquier tipo de tecnología de impresión 3D. Esto permite disponer de una visión global del producto, conociendo las limitaciones y el estado del arte de la técnica.
2.4.1. Cómo funciona la impresión 3D del tipo FFF
Este proyecto se basa en la tecnología FFF (Fused Filament Fabrication). Para entender mejor algunos conceptos que se explican durante este proyecto es recomendable la lectura de este apartado. Si por el contrario el lector ya tiene experiencia con esta tecnología, puede seguir la lectura en el capítulo siguiente.
La fabricación por filamento fundido se basa en el proceso de fundir un termoplástico, extrudirlo a través de una boquilla y depositarlo en una posición concreta del espacio definida por los 3 ejes de la máquina. Una vez el plástico fundido sale de la boquilla, este se enfría rápidamente solidificándose. Al tratarse de fabricación aditiva, es necesario partir de una superficie plana en la que empezar la construcción. Es habitual que esta plataforma esté calefactada ligeramente para prevenir la contracción del plástico debido al contraste de temperaturas entre el fusor y el ambiente.
El proceso que se sigue para realizar un objeto es el siguiente. Primero es necesario partir de un archivo digital en formato .STL (Stereolitography). Este archivo es necesario pasarlo por un programa que separa la geometría en capas bidimensionales del tamaño de micras y genera las trayectorias para que la electrónica controle los motores de los diferentes ejes. Estos códigos se denominan G-Codes (Códigos G) y conforman el estándar RS-274D creado por el NIST (National Institute of Standards and Technology) y aprobado en Febrero de 1980. Este estándar es el recomendado para máquinas de control numérico por la EIA (Electronic Industry Association). [8]
Una vez obtenido el g-code, este es transmitido a la electrónica de la impresora 3D. A medida que el archivo es procesado, la maquina “imprime” el objeto.
En cuanto a materiales con los que se puede fabricar, se utilizan diversos tipos de polímeros como el acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), el policarbonato (PC), ácido poliláctico (PLA), polietileno de alta densidad (HDPE), poliestireno de alto impacto (HIPS) y muchos más que se van desarrollando a medida que avanza la tecnología. De hecho, actualmente ya existen multitud de filamentos compuestos con cargas de yeso, madera, cobre, fibra de carbono…
3.
Introducción
El nacimiento del proyecto RepRap ha provocado y provocará un cambio en el modo que vemos el mundo actualmente. Citando al Doctor Bowyer [4]:
“Si el proyecto RepRap llega a tener éxito, un conjunto de cambios pueden tener lugar en la sociedad. El principal sería el modo en el que está establecida la distribución de bienes. Actualmente, las economías de escala se basan en la producción de bienes en fábricas y en su envío a cada individuo particular que desea poseer esos bienes utilizando un complejo sistema de transporte. Si el proyecto RepRap despega y aumenta sus capacidades por evolución para producir cada vez más productos, las personas que tengan esta máquina en sus casas no tendrán la necesidad de fábricas para producir los bienes que requieren. Cuando quieran algo, simplemente lo descargaran de internet como ya se hace con la música, películas o cualquier otra cosa. Esto les permitirá fabricar en sus propias casas lo que necesiten sin necesidad de transportar nada más que la materia prima. Es así como el concepto de la cadena de suministro convencional de bienes materiales a individuales cambiará.”
Como ya se ha comentado anteriormente, la tecnología era conocida y explotada desde hace más de 30 años por empresas del sector industrial bajo numerosas patentes. La liberalización de esta tecnología ha provocado una nueva corriente de desarrollo en la tecnología que abarca transversalmente multitud de sectores como por ejemplo:
Prototipaje Rápido Educación Ingeniería y Diseño Arquitectura Medicina
3.1. Objetivos del proyecto
Los objetivos del proyecto son los siguientes:
1. Diseñar una plataforma electrónica personalizada para el modelo de impresora 3D BCN3D Sigma de BCN3D Technologies.
a. Siendo capaces de reducir los costes totales en comparación a soluciones empleadas anteriormente.
b. Adquiriendo un valioso know-how para poder seguir diseñando hardware con más funcionalidades para mantenernos competitivos en el mercado.
2. Aprender y documentar aspectos muy importantes en el desarrollo de producto como el marcado CE y la compatibilidad electromagnética.
3.2. Alcance del proyecto
Este proyecto pretende abarcar todo el proceso de diseño del sistema electrónico, desde su conceptualización hasta su fabricación en serie. Se focalizará en los motivos de selección de componentes y en su implementación.
Uno de los puntos clave de este proyecto, aparte de detallar toda la cadena de suministro, es documentar las reglas de diseño de hardware que se han empleado y proporcionar una base sólida en la que asentarse en futuros diseños.
No entran dentro del alcance de este proyecto los temas relacionados con el firmware que controla al equipo y no se entrará en detalle sobre el funcionamiento del software de diseño. Tampoco se explicará el funcionamiento de los buses de comunicación SPI e I2C.
3.3. Análisis de antecedentes
Antes de entrar en detalle con las especificaciones, es necesario analizar cuál es el punto de partida y qué elementos conformaban el sistema electrónico hasta el momento y cuál era su estructura.
La llamada impresora 3D está formada por 3 ejes cartesianos como cualquier otra máquina CNC. A diferencia de las máquinas convencionales que incorporan una herramienta y cortan material para formar el objeto (fabricación substractiva), la impresora 3D de tipo FFF
(fabricación aditiva). Este cambio de perspectiva, añadir material frente a quitarlo, permite realizar geometrías mucho más complejas minimizando la materia prima utilizada. Analizando la topología de máquina descrita y centrándonos en el sistema electrónico, podemos distinguir los siguientes elementos:
Actuadores que muevan los ejes en el espacio. Deben poderse controlar tanto la posición, la velocidad como la aceleración.
Elemento calefactor que permita calentar el filamento hasta su temperatura de fusión para poder ser extruido. Elemento calefactor en la superficie de impresión para prevenir contracciones del material plástico.
Sensor para poder ajustar la temperatura del fusor.
Sensores para detectar el final de carrera de cada eje.
Fuente de alimentación para alimentar todo el sistema
Interfaz para controlar la máquina y para poder enviarle trabajos.
En los inicios del proyecto RepRap no existía ninguna placa electrónica dedicada a la impresión 3D. Lo que si había era una plataforma de prototipado electrónico muy conocida denominada Arduino, concretamente la placa Arduino Mega. Esta placa dispone de un microcontrolador ATmega2560 de 8 bits a una frecuencia de 16MHz. A medida que el proyecto RepRap fue avanzando, surgieron multitud de variantes de placas controladoras basadas en Arduino que gestionaban los elementos anteriormente listados.
Una de las más conocidas y que todavía se utiliza se llama RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield) y se basa en el Arduino Mega y los controladores de motores paso a paso de la empresa Pololu. Fue diseñada por John Russel bajo la empresa ultimachine en Estados Unidos. Las características que han hecho que esta placa destacara por encima de las demás son el bajo coste y la capacidad de soldar los componentes de forma manual, ya que la mayoría es THT.
Al ser publicada bajo licencia GPL, en seguida compañías Chinas comenzaron a fabricarla en masa y a venderla por todo el mundo. BCN3D Technologies todavía comercializa impresoras 3D con la combinación Arduino + Ramps como sistema electrónico.
3.3.1. Problemas de hardware encontrados
A pesar de que la combinación Arduino + Ramps es una de las más conocidas en el mundo RepRap, no es ni de lejos la solución ideal para afrontar un producto profesional. Existen una serie de problemas de diseño que dejan a esta combinación de hardware solo apta para impresoras 3D en formato kit o hobby.
Estos problemas son los siguientes:
1. Arduino no deja de ser una plataforma pensada para prototipado rápido de circuitos electrónicos, por lo que su uso en productos no está del todo integrado y optimizado. 2. La Ramps tiene algunos fallos de diseño que la hacen poco fiable.
a. En la entrada de la alimentación dispone de dos fusibles reajustables del tipo PPTC mal dimensionados que limitan la corriente hacia los elementos calefactores, disminuyendo su capacidad. Al trabajar tan al límite de su rango nominal, disipan más potencia de la necesaria y el tiempo de vida se acorta considerablemente
b. No dispone de diodos volante para evitar los picos de tensión provocados por la conmutación de las cargas inductivas parásitas de los elementos calefactores.
c. Ciertas pistas, por las que circula la corriente de la cama calefactora, están mal dimensionadas y es posible que lleguen a quemarse y romperse.
d. El cableado no tiene ninguna organización. Multitud de cables salen hacia los elementos provocando todo tipo de interferencias entre ellos y hacia el exterior.
e. Al disponer de todos los controladores de los motores paso a paso en zócalos en la misma placa, la generación de calor es demasiado alta y es siempre necesaria ventilación forzada y recomendable utilizar disipadores en los integrados. El diseño térmico del conjunto es bastante pobre.
3. Es común, dependiendo del proveedor de las placas electrónicas, encontrarse con integrados de segundas marcas o falsificaciones, comprometiendo las especificaciones de todo el sistema.
3.3.2. Limitaciones
Una de las limitaciones más importantes que se ha encontrado en el momento de diseñar el hardware es el propio firmware que había disponible. Junto al proyecto RepRap se inició paralelamente otro proyecto Open Source con el objetivo de diseñar el código que controlaría el hardware. Este firmware se llama Marlin y es uno de los más conocidos. Se puede decir que la mayoría de las impresoras 3D del mercado se basan en él. Existían algunos firmwares más pero no todos ofrecían las características que necesitábamos. Además, Marlin era el que conocíamos mínimamente y no teníamos la capacidad ni el tiempo de realizar uno partiendo de cero o adaptar otro a nuestras especificaciones.
El firmware Marlin se desarrolló para microcontroladores de 8 bits, concretamente para una serie de chips de la compañía Atmel. A continuación se listan los integrados compatibles: 168, 328, 328P, 644, 644P, 1284P, 1280, 1281, 2560, 2561, AT90USB1287, AT90USB1286, AT90USB646, AT90USB647.
Por lo tanto, ha sido el propio firmware que controla la máquina la mayor limitación en este proyecto. En apartados posteriores detallaremos posibles soluciones de futuro para superar esta limitación y poder conseguir mayores prestaciones.
4.
Especificaciones
4.1. Dimensión y estructura del sistema electrónico
Antes de detallar la lista de especificaciones, junto con el análisis topológico realizado en el apartado 3.3, es necesario explicar los elementos que conformarán el sistema electrónico.
Los motores seleccionados para esta aplicación son los motores paso a paso. El principal motivo de su uso es su resolución y la capacidad de controlar su posición en bucle abierto, a parte de su bajo coste comparado con otras soluciones. De esta forma no es necesario implementar un lazo cerrado de control como en los servomotores. Su uso se encuentra muy extendido y se pueden encontrar en multitud de tamaños, resoluciones y potencias. De este tipo de motores se deriva la necesidad de utilizar circuitería específica para controlarlos correctamente.
Los elementos calefactores se componen por resistencias que gracias al efecto Joule, permiten calentar elementos. En el caso del fusor, el elemento utilizado es un cartucho calefactor de tipo industrial. Éste está compuesto por un núcleo bobinado de nicromo rodeado de óxido de magnesio y todo encapsulado por una vaina de acero inoxidable. Por otro lado, para calentar la superficie de impresión se utiliza la misma aproximación pero con otro tipo de implementación. Una placa de circuito impreso PCB de tamaño aproximado a la superficie de impresión con un entramado de pistas equivale a una resistencia en dos dimensiones que actúa como elemento calefactor. Más adelante se detalla el diseño con más profundidad.
Para poder controlar los elementos calefactores es necesario disponer de sensores de temperatura. El tipo de sensor escogido es el termistor o resistencia variable con la temperatura, concretamente del tipo NTC (Negative Temperature Coeficient), por su bajo coste y sencilla implementación.
Para poder encontrar el origen de la máquina en cualquier momento, es necesario implementar finales de carrera para cada eje. Estos serán implementados por micro interruptores.
La fuente de alimentación que alimenta a todo el sistema. Ésta será un elemento comercial con la tensión y la potencia requeridas por las especificaciones.
Finalmente es necesario implementar algún tipo de interfaz para que el usuario pueda interactuar con la impresora. Antiguamente esta interfaz era a través de un cable USB conectado a un ordenador con un programa de control. Actualmente, la
opción más común es la de implementar una pantalla con diferentes menús y así acceder a todas las funciones de la máquina.
4.2. Listado de especificaciones
A continuación se detallan las especificaciones que debe cumplir la electrónica de la impresora 3D BCN3D Sigma según lo acordado por el equipo de desarrollo:
Disponer de doble extrusor independiente. La característica que define a esta impresora es la capacidad de imprimir piezas con dos cabezales de manera independiente. Esta funcionalidad permite imprimir geometrías con dos colores, dos materiales diferentes o lo más importante, imprimir con un cabezal la pieza final y con el otro una estructura de soporte que permita superar una de las limitaciones de la tecnología FFF, las estructuras en voladizo.
Altura de capa mínima de 100 micras. La altura de capa mínima que una impresora es capaz de realizar es una de las características que más se tiene en cuenta. Se podría asimilar a los mega píxeles de una cámara fotográfica o a los caballos de potencia de un coche. La altura de capa define lo que podríamos denominar resolución del objeto 3D. Al Imprimir geometrías con una altura de capa pequeña, el ojo no distingue entre capas por lo que se aprecia una superficie continua. En contrapartida, el tiempo de impresión aumenta considerablemente.
Área de impresión DIN-A4 (210x297mm). Con una altura total de 210mm.
Capacidad de calentar el fusor hasta 300ºC y la superficie de impresión hasta los 100ºC.
Fuente de alimentación de corriente continua de 24V.
Pantalla táctil a color.
5.
Alternativas de diseño
Uno de los aspectos que se tuvieron más en cuenta en el momento de dimensionar y diseñar el sistema electrónico de la impresora fue que arquitectura adoptaría. Es posible diseñar la electrónica de manera integrada, es decir, una placa electrónica que contenga todos los componentes y que los demás elementos se conecten a ella o bien de manera distribuida y modular.
Una solución integrada comporta tener los controladores de los motores paso a paso en un mismo circuito impreso y ya que son los elementos que más calor necesitan disipar, seria necesario aplicar un sistema de convección forzada para refrigerar.
Muchas veces no se da la importancia que se requiere al cableado. Por sí solo es un tema complejo que dispone de multitud de alternativas para una misma aplicación. En diseños anteriores de equipos se han empleado cables típicos de sección circular y de diferentes calibres según la corriente que circula por ellos. A pesar de que los resultados no fueron todo lo profesionales que se quería, es posible volver a emplear una solución de este tipo pasando por diseños arneses personalizados que se adapten a la geometría y funcionalidades de la máquina. Otra alternativa es el uso de cables planos o cintas planas. Su flexibilidad es alta y ocupan mucho menos espacio que las soluciones tradicionales. El conexionado y lo conectores son un reto que los fabricantes y diseñadores se encuentran a medida que la electrónica se miniaturiza.
Por último, otra decisión de diseño es la tensión de alimentación del equipo. Históricamente se han utilizado 12V, pero el uso de una tensión mayor tiene ventajas que se deben tener en cuenta. Es recomendable mantenerse dentro de los límites establecidos por la norma de muy baja tensión. Una alternativa directa podría ser el uso de 24V. Para unos mismos consumos la corriente se reduce a la mitad. Esto implica menos disipación térmica y un diseño más sencillo.
6.
Diseño del Hardware
6.1. Mainboard
6.1.1. Fuente de alimentación conmutada
La máquina se conecta directamente a la red y la fuente de alimentación principal de la máquina convierte los 230VCA en 24VCC. Se requieren 24VCC para los elementos de potencia como los extrusores, la superficie calefactada, motores paso a paso y ventiladores. Como todo el subsistema digital necesita ser alimentado a 5V, es necesario incorporar una fuente de alimentación en la PCB.
Las alternativas que se presentan para este tipo de aplicaciones son un regulador lineal o una fuente conmutada. Los reguladores lineales suelen emplearse en aplicaciones que requieren de poca potencia debido a su modo de funcionamiento. Se basan en el control de un BJT o FET en la zona lineal/óhmica para ajustar dinámicamente la tensión de salida. Como toda la corriente circula por el transistor en serie, se disipa mucha potencia y el rendimiento es muy bajo. Por otra parte, tienen las ventajas de ser muy económicos y simples de implementar y carecen del rizado de la tensión de salida típica de las fuentes conmutadas.
Las fuentes conmutadas se basan en la modificación del valor medio de la tensión por conmutación y posterior filtraje. Son capaces de suministrar mucha potencia y su uso se encuentra extendido en todos los productos electrónicos de consumo. En comparación con los reguladores lineales, son más costosas de implementar aunque cada vez se encuentran soluciones más económicas y que requieren de menos componentes. Una fuente de alimentación conmutada se caracteriza básicamente por la corriente de salida que puede suministrar, la frecuencia de conmutación, el voltaje de entrada y el voltaje de salida.
A continuación se presentan los requisitos que debe cumplir la fuente de alimentación: 1. Voltaje de entrada nominal de 24VCC. Voltaje máximo de 24.8VCC y mínimo de
23.5VCC. Este rango viene definido por la regulación mediante un potenciómetro en la fuente de alimentación.
2. Voltaje de salida 5V ± 1%. 3. Potencia de salida máxima 5W.
Como la potencia a suministrar no es muy elevada y no hay restricciones de espacio en el circuito impreso, se decide emplear un convertidor de baja frecuencia. En el mercado existen multitud soluciones y una muy conocida y empleada en otro hardware que se ha tomado como referencia es la que se basa en el integrado LM2595 de Texas Instruments. Este convertidor trabaja a una frecuencia de 150KHz es capaz de suministrar la corriente que se necesita en la aplicación, 1 Amperio. Solo necesita un condensador de entrada, un diodo y el filtro de salida compuesto por un condensador y una bobina. Este tipo de convertidor del tipo convertidor buck asíncrono ya que disminuye la tensión y emplea un diodo para la recirculación de la corriente. Los convertidores buck síncronos sustituyen el diodo por otro MOSFET de manera que se controla la conmutación de este por el integrado. El uso de MOSFETS con una resistencia de conducción entre drenador y surtidor muy baja permite utilizarlos en aplicaciones de mayor potencia ya que se las pérdidas disminuyen considerablemente. Son integrados más sofisticados y costosos, por estos motivos no se han empleado en este proyecto. [16]
El diseño se ha hecho siguiendo las recomendaciones propuestas por el fabricante en el
datasheet y utilizando herramientas online del propio fabricante (WeBench Tools). Destacar los siguientes puntos del proceso:
El condensador de salida se ha seleccionado teniendo en cuenta el máximo rizado de tensión admisible según las especificaciones. Se ha seleccionado un condensador con una baja ESR (Equivalent Series Resistance) por el cual sea capaz de circular la corriente de rizado.
El diodo debe ser rápido y debe estar ubicado lo más cerca del integrado. Por este motivo se ha seleccionado un diodo Schottky. Su caída de tensión es baja y su recuperación muy rápida. Por el diodo circula toda la corriente de salida y es el punto donde se producen más pérdidas. La potencia disipada viene definida por la tensión de caída del diodo multiplicada por la corriente de salida y el factor del duty cycle. Así pues se ha escogido un diodo un poco sobredimensionado para que pueda soportar sin problemas la disipación de potencia requerida a corriente de salida máxima.
Los parámetros importantes del condensador de entrada son el voltaje máximo permitido y la corriente de rizado. Es habitual aplicar un coeficiente de seguridad de cómo mínimo 1.5 al valor de la tensión máxima por lo que se ha seleccionado un condensador de 35V. La corriente de rizado de un condensador de entrada de un convertidor buck es
aproximadamente la mitad de la corriente continua de la carga. Por este motivo el condensador escogido tiene una capacidad de corriente de 500mA.
En la figura 6.1 se puede ver el esquema implementado en el programa de diseño.
En la entrada del convertidor se ha colocado un diodo para evitar dañar al sistema por inversiones de polaridad.
6.1.2. Subsistema digital
El subsistema digital es el encargado del control de la impresora y de las comunicaciones con un ordenador mediante USB. Se compone por un microcontrolador principal, el cual contiene el código y un chip que realiza de puente entre el USB y la UART (“Universal Asynchronous Receiver-Transmitter”).
Como se ha mencionado en el apartado 3.3.2, debido a limitaciones de firmware, se dispone de una lista bastante acotada de modelos a utilizar. Se ha decidido utilizar el modelo ATmega2560 por las siguientes características:
Configurable hasta 84 señales de entrada/salida.
256 KBytes de memoria de programa Flash.
4 KBytes de memoria EEPROM y 8 KBytes de memoria SRAM.
4 USART programables.
12 canales PWM configurables hasta 16 bits.
16 canales ADC de 10 bits.
SPI, I2C…
En la figura 6.2 se puede ver una tabla comparativa de las características principales de la familia de microcontroladores ATmega. [2]
Este modelo es muy conocido, ya que es el mismo que utiliza el Arduino Mega. Esto ha provocado que se genere multitud de información en internet y que sea un componente muy probado y fiable.
En el momento de dimensionar un sistema, es importante saber cuántas señales son necesarias para controlar todo el equipo. A continuación se muestra una tabla resumen de todas las conexiones necesarias:
Concepto Señales Cantidad Subtotal
Motores EN, DIR, STEP 6 18
Finales de Carrera STOP 8 8
Sensores Temperatura THERM 3 3
Ventiladores PWM_LFAN 2 2
Hotends PWM_HOTEND 2 2
Heated Bed PWM_HOTBED 1 1
Pantalla LCD LCDRESET, LCDRX, LCDTX 1 3
Lector tarjeta SD SDSS, MOSI, MISO, SCLK 1 4
LEDs R-PWM, G-PWM, B-PWM 1 3
Comunicación USB UART_P, UART_N 1 2
Relé RELAY 1 1
TOTAL 47
Son necesarias un total de 47 señales para gobernar la impresora, lejos del número máximo de entradas/salidas configurables del integrado. Es habitual no utilizar todos los recursos de un microcontrolador pero no es recomendable limitar las capacidades de los componentes al circuito impreso. Por este motivo se han habilitado conectores para poder acceder a otra UART, al bus I2C y a cuatro canales del conversor analógico digital. De esta manera es posible ampliar funcionalidades del diseño en un futuro o simplemente realizar pruebas. En el anexo A se puede observar el esquemático completo con las señales asignadas a los respectivos puertos del microcontrolador.
Para que el microcontrolador funcione correctamente son necesarios una serie de circuitos auxiliares y configurar unos registros de memoria durante la programación. Estos registros se hacen llamar fusibles, en total ocupan 3 bytes y solo necesitan ser escritos una vez. Estos fusibles determinan en parte el comportamiento del microcontrolador. Se puede escoger la fuente de señal de reloj, activar un divisor del reloj, habilitar o deshabilitar la señal de RESET, activar el BOD (“Brown-out Detector”)…
Seguidamente se detalla la función de cada circuito auxiliar y cómo se implementa. 6.1.2.1. Circuito de Reset
Todo sistema secuencial debe inicializarse a un estado conocido. Este estado conocido se define cuando todos los pines se ponen en modo de alta impedancia o “tri-state”, los registros se inicializan y el contador de programa se inicializa a cero o a otro valor inicial especificado por el fabricante.
Este estado se consigue con una señal de RESET, que habitualmetne se activa por un nivel bajo. Internamente el microcontrolador incluye una resistencia de pull-up y un filtro pasa bajos, pero según las notas de aplicación de Atmel [3] es recomendable añadir una resistencia de pull-up adicional y un condensador para correcto funcionamiento. El valor de la resistencia no debe ser demasiado bajo para que el programador sea capaz de activar la línea de RESET y entrar en modo de programación. El condensador permite filtrar ruido o transitorios que puedan causar un reinicio indeseado.
Como la línea de RESET se activa mediante un pulsador, es necesario tener en cuenta las consecuencias del contacto directo. Añadir un diodo protector evita descargas electroestáticas. En la figura 6.4 se puede ver el esquema implementado del circuito de RESET.
Nótese la resistencia en serie con el interruptor. Inicialmente el condensador está cargado a 5V y cuando el pulsador es accionado, el condensador se cortocircuita y se descarga a través de la resistencia R32. Añadir esta pequeña resistencia evita la generación de picos de corriente y picos de tensión provocados por las inductancias parásitas.
6.1.2.2. Circuito de Reloj
Para que el microcontrolador ejecute el programa de forma secuencial es necesario que disponga de una señal de reloj que le diga cuándo incrementar el contador de programa y ejecutar las siguientes instrucciones. La cantidad de instrucciones que puede realizar un microcontrolador es directamente proporcional a la frecuencia de la señal de reloj. Por este motivo, la máxima frecuencia que acepta un microcontrolador es un criterio de potencia. Excepto en casos de diseños de bajo consumo, siempre es deseable disponer de la máxima potencia posible y así realizar más operaciones por unidad de tiempo.
Existen diferentes posibilidades en cuanto a circuitos de reloj: [3]
Oscilador integrado: un componente que genera directamente una señal de reloj. Suelen ser muy precisos pero su coste es mayor.
Oscilador RC: este circuito se encuentra dentro del propio microcontrolador. Su máxima frecuencia de oscilación es de 8MHz en el caso del ATmega2560, la mitad de su frecuencia de operación máxima. Es una buena solución para aplicaciones de bajo consumo, coste y rendimiento.
Cristal: circuito oscilador basado en un cristal de cuarzo calibrado a una frecuencia de trabajo determinada. Se basan en el efecto piezo-eléctrico. Son estables y relativamente asequibles.
Resonador cerámico: se basan en el mismo efecto piezo-eléctrico pero su frecuencia es más inestable y se degradan mucho con el tiempo. Se usan en aplicaciones donde se permiten grandes tolerancias en la frecuencia del reloj.
Se ha decidido implementar el circuito generador del reloj con un cristal ya que es la opción más precisa y su frecuencia es la más estable frente a cambios de temperatura y tensión de alimentación.
6.1.2.3. Comunicación USB y programación
Al tratarse de un producto comercial, es necesario pensar con antelación todas las acciones que podrá realizar el usuario a lo largo de la vida del producto y dejar todas las funcionalidades preparadas. Seguramente la funcionalidad más importante sea la capacidad de actualizar el firmware del equipo. Además, éste podrá comunicarse con la impresora para ejecutar comandos avanzados o controlar la máquina con diversos programas.
El usuario será capaz de recibir actualizaciones y tiene que ser capaz de hacer llegar el nuevo programa a la impresora. Únicamente por este motivo es necesario implementar una interfaz de comunicación con un equipo de nivel superior como un ordenador.
Hace ya tiempo que el puerto USB se convirtió en la interfaz estándar para interconectar sistemas de manera fiable y barata. Pero para poder enlazar un ordenador y un microcontrolador mediante USB es necesario un integrado que haga de puente entre el USB y otro periférico que disponga el microcontrolador, como por ejemplo, una UART. De haber escogido un microcontrolador con USB integrado, no sería necesario un integrado a parte que realizara esta función.
Debido a la complejidad del protocolo USB, éste se encuentra fuera del alcance de este proyecto. Básicamente se trata de un bus de comunicación serie implementado sobre un par diferencial que transmite información desde un host o controlador hacia un dispositivo. El integrado a seleccionar debe encargarse de controlar la interfaz serie sin necesidad de configuración o programación.
Debido a la proliferación de proyectos clasificados como computación física (construir sistemas físicos con hardware y software para interactuar con el entorno) hay un componente que ha ganado adeptos debido a su facilidad de implementación. El FT232R es un conversor USB-UART de la compañía FTDI, que solo se dedica a conversores entre USB y diferentes protocolos de comunicación abarcando todas las velocidades disponibles. Una opción idónea para nuestra aplicación.
En la figura 6.6 se muestra lo fácil que es implementar un puerto de comunicación entre un microcontrolador y un ordenador o host según las indicaciones del propio datasheet. [6]
Siguiendo las recomendaciones del datasheet se ha llegado al esquema de la figura 6.7. Fig. 6.6. Esquema propuesto por el fabricante
Se pueden distinguir dos partes bien diferenciadas en este circuito. Primero encontramos los componentes que van desde el conector USB hasta el integrado y después los componentes alrededor del integrado.
Debido a que los cables USB son manipulados, se ha decidido implementar una mínima protección contra descargas electroestáticas mediante varistores, tanto en las líneas de información como en la de alimentación. Según la especificación USB 2.0, es posible alimentar los dispositivos conectados al controlador con un máximo de 500 mA. Por este motivo se ha colocado un fusible reseteable del calibre mencionado. El diodo D8 se ha puesto para evitar circulación de corriente desde la fuente de 5V hasta el ordenador a través del cable USB.
Por otro lado, encontramos dos LEDs conectados al integrado. El integrado viene configurado de fábrica de manera que activa los LEDs cuando se reciben o transmiten datos. De esta manera podemos cerciorarnos de que la comunicación está teniendo lugar de manera visual. La señal DTR que pasa a través de un condensador y se conecta a la señal de RESET es una función especial que permite reiniciar el microcontrolador para entrar en modo de programación sin necesidad de pulsar el interruptor de dicha función. Para poder reprogramar y actualizar el firmware del equipo con solo un cable USB, son necesarias dos partes. La primera es un puerto de comunicación con el ordenador, en este caso el USB. La segunda es un pequeño programa llamado bootloader y que permite que el microcontrolador reprograme su memoria flash con la información que le llega por la UART. Este pequeño programa solo es necesario cargarlo una vez durante la fabricación de la placa electrónica y se carga con el programador oficial de Atmel. Durante este proceso también se configuran los fusibles mencionados en el punto 6.1.2. De esta manera, con un simple cable USB, el usuario puede actualizar su máquina y recibir mejoras sin tener que disponer de un programador o manipular el equipo.
6.1.3. Subsistema analógico
El subsistema analógico se compone básicamente por los tres sensores de temperatura necesarios para controlar el calentamiento de los elementos calefactores. Estos elementos calefactores son dos resistencias que se encargan de calentar los hotends y una superficie que calienta la superficie de impresión o Heated Bed.
Existen varios tipos de sensores de temperatura según su principio físico de funcionamiento como por ejemplo:
Resistencias metálicas (RTD)
Termopares
Termistores (NTC)
Sensores de Silicio
Sensores de radiación
En general, la mayor dificultad consiste en decidir entre RTDs y termopares, o entre NTCs y sensores de silicio. Los sensores de radiación tienen aplicaciones más definidas, por eso no suelen entrar en competencia con otros sensores de temperatura.
De los tipos de sensores listados, serán objeto de estudio los termopares y los termistores ya que son los únicos sensores que ya están implementados en el firmware. A continuación se detallan las características principales de cada uno.
6.1.3.1. Termistores
Son sensores de temperatura de tipo resistivo. El nombre proviene de la contracción de las palabras inglesas “thermal” y “resistor” .
Los termistores se dividen en dos grupos, según el signo del coeficiente de temperatura de la resistencia (α). Si es negativo se trata de NTC (Negative Temperature Coefficient) y si es positivo se trata de PTC (Positive Temperature Coefficient). [11]
Normalmente es habitual utilizar las de tipo NTC para medir temperatura. Se trata de resistencias de material semiconductor cuyo valor resistivo disminuye cuando aumenta la temperatura. Están compuestas por una mezcla de óxidos metálicos como Ni-Mn-O, Ni-Cu-Mn-O y Ti-Fe-O. Básicamente, el incremento de temperatura aporta la energía necesaria para que se incremente el número de portadores capaces de moverse, lo que conlleva un aumento de la conductividad del material.
La curva característica R-T de una NTC se muestra en la figura 6.8. Se observa que la relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal, sobre todo cuando se considera un margen de temperatura amplio. En cambio, la sensibilidad (pendiente) es muy grande a bajas temperaturas y va disminuyendo a medida que aumenta la temperatura. Una sensibilidad alta es una característica muy deseable en cualquier sensor.
El parámetro característico de los termistores es la resistencia nominal. Este valor hace referencia al valor resistivo del termistor a una temperatura de referencia, normalmente 25ºC (298K). Los valores de resistencia nominal más comunes varían entre 10Ω y 20MΩ.
En la tabla 6.9 se muestran las principales ventajas e inconvenientes de un sistema basado en un sensor tipo termistor NTC.
Ventajas Inconvenientes
Componente robustos y económico Velocidad de respuesta lenta
Gran sensibilidad (baja temperatura) Bajo rango de temperaturas
Baja susceptibilidad al ruido Grandes tolerancias de fabricación
Fig. 6.8. Curva característica de un termistor de 10kOhms
6.1.3.2. Termopares
El termopar es un sensor de temperatura constituido por dos metales diferentes cuya característica principal es que produce una tensión proporcional a la diferencia de temperaturas entre los puntos de unión de ambos metales. En el principio de funcionamiento del termopar están involucrados tres fenómenos físicos:
Efecto Seebeck: si se tienen dos conductores diferentes formando un circuito cerrado y una de las uniones está a una temperatura T1 y la otra a una temperatura T2, aparece una fuerza electromotriz que da lugar a la circulación de una corriente que se mantiene mientras las temperaturas sigan siendo diferentes. Si se abre el circuito, lo que se observa es la aparición de una tensión entre los terminales.
Efecto Peltier: si se hace circular una corriente por un termopar, una de las uniones se calienta y la otra se enfría. Además, si se invierte el sentido de la circulación de la corriente, la unión que se calienta y la que se enfría se invierten.
Efecto Thomson: cuando se hace circular una corriente constante a través de un conductor en el que uno de sus extremos se mantiene a diferente temperatura que el otro, se produce una transferencia de calor proporcional al producto de la corriente por el gradiente de temperatura. Si se invierte el sentido de la circulación de corriente, también se invierte el sentido de la transferencia de calor.
Del estudio experimental de los termopares se deducen las tres leyes termoeléctricas, que resumen el comportamiento de los termopares:
Ley de los circuitos homogéneos: la tensión generada por un termopar cuyas uniones se encuentran a las temperaturas T1 y T2 no depende de la temperatura a la que se encuentren los puntos intermedios.
Ley de los metales intermedios: si se introduce un tercer metal en serie con uno de los que constituyen el termopar, la tensión generada por el termopar no varía siempre que los extremos del metal insertado se encuentren a la misma temperatura.
Ley de las temperaturas intermedias: la tensión generada por un termopar a temperatura T1 y T3 en sus extremos es igual a la suma de las tensiones generadas por dos termopares con temperaturas T1-T2 y T2-T3 respectivamente.
Existen multitud de tipos de termopares según el material de la unión metálica. La figura 6.10 muestra los más comunes. [11]
Tipo Composición Rango de medida Sensibilidad (a 25ºC)
J Fe – Constatán 0 a 760ºC 51,5 μV/ºC K Cromel – Alumel -200 a 1250ºC 40,5 μV/ºC N Nicrosil – Nisil 0 a 1260ºC 26,5 μV/ºC T Cu – Constatán -200 a 350ºC 41,0 μV/ºC R 13%Pt 87%Rh – Pt 0 a 1450ºC 6 μV/ºC S 10%Pt 90%Rh – Pt 0 a 1450ºC 6 μV/ºC B 30%Pt 70%Rh – 6%Pt 94%Rh 800 a 1800ºC 9 μV/ºC
Como la tensión entre los terminales del termopar depende de la temperatura de las dos uniones, es decir, de la temperatura de la unión situada en la zona que se desea medir (denominada unión caliente) y de la propia temperatura a la que se encuentra la unión con el equipo de medición (unión fría), para cada temperatura de la unión fría existe una curva de calibración. Actualmente, es habitual encontrar integrados que realizan una compensación de la unión fría midiendo la temperatura ambiente, hecho que facilita mucho la implementación de este tipo de sensor.
Con los datos de la tabla anterior se pueden deducir dos características de los termopares. La primera es que la relación entre tensión y temperatura es lineal y la segunda es que es necesario un circuito de acondicionamiento de señal para amplificar la pequeña señal para que ADC (Analogic to Digital Converter) se capaz de leer el valor. Es posible utilizar un amplificador de instrumentación o seleccionar un integrado que realice la amplificación.
Seguidamente, en la tabla 6.11 se muestra un resumen de las ventajas e inconvenientes de un sistema que utilice un termopar.
Ventajas Inconvenientes
Amplio rango de medida Sistema más caro de implementar
Relación lineal Baja sensibilidad
Baja inercia térmica Alta susceptibilidad al ruido
6.1.3.3. Diseño e implementación del circuito
Después de realizar una primera aproximación sobre los dos tipos de sensores de temperatura objeto de estudio, se decide seleccionar el termistor para medir la temperatura de los hotends y de la superficie de impresión. Los motivos son su menor coste, su fácil implementación tanto a nivel de hardware como a nivel de firmware y la disponibilidad de varios tipos de empaquetados.
Para medir la temperatura con un termistor NTC, generalmente se selecciona una resistencia nominal alta y con un buen acoplamiento térmico con el objeto cuya temperatura se quiere medir. Para que el ADC del microcontrolador pueda medir la temperatura, primero necesitamos obtener una magnitud eléctrica que dependa de la temperatura de la forma más lineal posible a partir del termistor. Podemos distinguir dos dominios en los que se realizan las técnicas de linealización, el digital y el analógico. En el dominio digital, el cálculo de temperatura se realiza con independencia de la linealidad del termistor. Para ello se utiliza un modelo del termistor y se calcula la temperatura en función del valor resistivo del NTC. En el dominio analógico suele añadirse una resistencia en serie o en paralelo con el termistor para conseguir una respuesta que se aproxime más a la lineal.
Para no sobrecargar el microcontrolador con cálculos matemáticos de coma flotante, se decide implementar una linealización con una resistencia en serie formando un divisor resistivo.
Se considera el circuito de la figura 6.12. Esta disposición permite que la tensión de salida se incremente conforme lo hace la temperatura. La tensión de salida es:
Y la sensibilidad:
El objetivo es encontrar un valor de R que proporcione una linealidad óptima en el margen de temperatura de interés y para un termistor determinado. Un método para determinar el valor de R consiste en hacer coincidir el punto de inflexión de la curva de la figura X.X con el punto medio de nuestro margen de medida. La condición del punto de inflexión implica que debe anularse la segunda derivada en el punto medio del margen de medida. Resolviendo la ecuación para R:
Donde B es una propiedad del material que describe la mejor aproximación a la curva resistencia – temperatura, Tc es la temperatura media de nuestro rango de medida y Rtc es el valor resistivo del termistor a temperatura Tc.
(6.13) (6.14) (6.13) (6.15)
V
o(
T
)
=
V
i×
R
R
+
R
tS
(
T
)
=
dv
o(
T
)
dT
=
v
i×
R
×
R
t[
R
+
R
t]
2×
B
T
2V
o(
T
)
=
V
i×
R
R
+
R
tR
=
B
-
2
TcB
+
2
Tc×
R
TcNuestro rango de medida viene determinado por las condiciones de funcionamiento de la impresora. Para definirlo es necesario hacer una media de las temperaturas de fusión de los termoplásticos que se utilizan para imprimir. De los dos materiales más utilizados del mercado, el PLA o ácido poli-láctico se extrude alrededor de los 210ºC y el ABS sobre los 235ºC. Esto significa que la temperatura media es de alrededor de los 220ºC.
Según la ecuación 6.15, para un termistor con un coeficiente B de 3950 K y un valor nominal resistivo de 100kΩ a 220ºC, la resistencia del divisor resistivo tendría que ser de 640Ω. En la siguiente imagen, figura 6.16, se puede apreciar la curva resistencia – temperatura, la salida de tensión del divisor de tensión y la sensibilidad en función de la temperatura de un termistor. Se muestra la salida del divisor normalizada respecto a la tensión de alimentación. Se aprecia que la respuesta tiene la forma de “S” con un punto de inflexión y es bastante lineal en un margen de temperatura limitado (±50K).
La curva de color rosa (sensibilidad) está centrada alrededor de nuestra temperatura de trabajo y es el caso deseable, donde queremos tener la máxima resolución. [14]
El problema es que no se está teniendo en cuenta el fenómeno de autocalentamiento del termistor. Cuando se conecta un termistor a un circuito eléctrico se le suministra energía eléctrica, que por efecto Joule se transforma en energía térmica. Parte de la energía
suministrada es disipada al exterior y otra parte es absorbida, incrementado su temperatura por encima de la temperatura ambiente.
La ecuación de transferencia de calor que gobierna el proceso se modela por la ecuación 6.17:
Donde T es la temperatura del termistor, Ta es la temperatura ambiente, d es el coeficiente de disipación o conductancia térmica, m la masa del termistor, cp es la capacidad calorífica,
V e I son la tensión y la corriente por el termistor y P es la potencia eléctrica suministrada. La solución de la ecuación diferencial anterior considerando P constante es:
En general se considera que el incremento de temperatura debido al autocalentamiento debe ser más pequeño que la precisión deseada en la medida. La precisión requerida en la medida es de ±5ºC. Teniendo en cuenta que el incremento máximo de temperatura por autocalentamiento (máxima potencia aplicada) se producirá cuando la resistencia del termistor Rt sea igual a la resistencia fija del divisor, R, se tiene que:
Y por tanto: (6.17) (6.18) (6.19) (6.20)
P
=
V
×
I
= ¶×
(
T
-
T
a)
+
c
pm
×
dT
dt
T
=
Ta
+
P
¶
×
[1
-
e
-t t]
V
imax=
4
P
maxR
=
2
D
T
d
R
D
T
=
(
V
imax2)
2d
R
Con el valor de la resistencia fija calculado anteriormente, y aplicando una tensión de entrada de 5V procedente de la fuente conmutada, encontramos que el termistor llega a calentarse a sí mismo alrededor de los 27ºC a 220ºC, muy por encima de las especificaciones. Una solución pasaría por disminuir la tensión de alimentación, pero requeriría de nueva circuitería complicando su implementación. La otra forma es aumentando la resistencia fija del divisor de tensión. Esta solución implica desplazar el rango de máxima resolución hacia la izquierda como muestra la figura 6.21.
Con un valor de R de 4,7kΩ la máxima resolución se encuentra alrededor de los 100ºC, pero el máximo autocalentamiento es de unos 3.5ºC, cumpliendo con los requerimientos de medida de temperatura. [6]
A continuación, en la figura 6.22, se muestra el esquemático correspondiente:
Véase que en el diseño se ha preferido poner el termistor en la parte inferior del divisor de tensión para poder mantener un extremo del termistor a una referencia fija (GND). Esto implica que la tensión decrecerá a medida que aumente la temperatura.
Se ha añadido un condensador en los extremos de la entrada del ADC para filtrar cualquier ruido que se pueda generar y recoger en el cableado. De la misma manera, la resistencia de 1kΩ realiza la función de limitar la corriente provocada por los picos de tensión que puedan surgir.
6.1.4. Salidas de potencia
Como ya se ha comentado en puntos anteriores, es necesario poder controlar el calentamiento de las dos resistencias calefactoras de los dos hotends y la resistencia de la superficie de impresión.
Estas cargas serán conmutadas por MOSFETs que trabajen en la región de saturación y controladas por el microcontrolador mediante la técnica de PWM (Pulse Width Modulation). Uno de los aspectos críticos para la correcta selección de un MOSFET es la capacidad de circulación de corriente y por ende la capacidad para disipar la potencia generada en su interior (pérdidas). Las pérdidas en un MOSFET provienen de dos fuentes. El canal formado entre el drenador y el surtidor se comporta como un elemento resistivo que disipa potencia al circular corriente por él. Este parámetro se describe como la resistencia de conducción o RDS(on). Estas pérdidas por conducción son inversamente proporcionales al tamaño del
MOSFET. Cuanto más grande sea el transistor, es decir el ancho del canal, más baja será la resistencia de conducción y por tanto las pérdidas.
La otra fuente de pérdidas es que se produce durante la conmutación. A medida que el MOSFET conmuta, su capacitancia intrínseca parásita almacena y disipa energía durante las transiciones. Las pérdidas son proporcionales a la frecuencia de conmutación y a los valores de las capacidades parásitas. A medida que el tamaño del MOSFET aumenta, su capacidad también aumenta. Así que aumentar el tamaño del MOSFET también aumenta las pérdidas por conmutación.
Al final es necesario llegar a una solución de compromiso según la aplicación para dimensionar correctamente el componente.
En el caso que nos ocupa no es necesario conmutar las cargas a una frecuencia elevada debido a la inercia térmica de los elementos calefactores. Aumentar la frecuencia de conmutación no tendría ningún efecto positivo sobre el control de la temperatura, por lo que en los cálculos de potencia se despreciarán las pérdidas por conmutación.
En la tabla 6.23 se muestran los consumos de los elementos principales:
Elemento Valor resistivo (Ω) Consumo (mA) Potencia (W)
Hotend 14,4 1,67 40
Superficie de impresión 3,9 6,15 145
Otro aspecto muy importante a tener en cuenta cuando se elige un MOSFET es la tensión de puerta con la que se va a controlar. En este caso el microcontrolador se alimenta a 5V por lo que sus salidas también serán a 5V. El parámetro RDS(on) depende directamente de la
tensión Vgs del MOSFET por lo que es posible no estar llegando a la zona de saturación del MOSFET (zona lineal) y aumentar las pérdidas considerablemente. Es necesario que en la hoja de especificaciones del dispositivo indique que se puede controlar con señales de nivel TTL o en su defecto utilizar un “MOSFETdriver”.
Se ha decidido utilizar el mismo componente para conmutar las cargas definidas en la tabla 6.23 con el objetivo de disminuir el coste por componente. Para que el mismo componente sea compatible es necesario dimensionarlo para la carga más restrictiva, en este caso la superficie de impresión. Para conmutar esta potencia es necesario escoger un MOSFET con una resistencia entre drenador y surtidor baja para que la potencia a disipar sea la menor
posible. Se ha escogido el componente IRF8736 de International Rectifier que tiene una RDSon de 4,8mΩ y una corriente de drenador contínua de 14,4A. Además su empaquetado
SOIC8 es bastante cómodo de soldar manualmente. A continuación se realiza el cálculo de potencia disipada por conducción de la superficie de impresión:
Este valor está muy por encima de los 2,5W que es capaz de disipar a temperatura ambiente el encapsulado.
Tal y como se ha mencionado en el punto 2b del apartado 3.3.1, es importante en este nuevo diseño atacar el problema provocado por la conmutación de las inductancias parásitas del sistema. A pesar de que para el cálculo de consumo de corriente las cargas se pueden considerar puramente resistivas, en realidad tienen una componente inductiva que provoca picos de tensión entre el drenador y el surtidor del MOSFET. Las inductancias parásitas se encuentran tanto en los propios componentes como en el cableado que los interconecta. En nuestro caso el cableado es un factor importante ya que disponemos prácticamente de 1 metro entre el circuito y la carga.
Para ilustrar este comportamiento se hace referencia a un estudio realizado por la comunidad RepRap [12] en la que caracterizan y simulan dos diseños de placas electrónicas que no incorporan ningún tipo de solución a este problema. Estas simulaciones son totalmente análogas al de la placa RAMPs ya que incorporan el mismo hardware. En la figura 6.25 se muestra en circuito de forma esquemática.
P
=
R
×
I
2=
0, 0048
×
6,15
2=
182
mW
(6.24)En la figura 6.26 se muestran los resultados de simulaciones realizadas con el software
LTSpice.
Los dos diagramas en la parte superior izquierda muestran una única secuencia de conmutación de la heated bed (off - on – off). La gráfica de la izquierda muestra el voltaje y
la de la derecha la corriente por el drenador. Se puede apreciar que los picos de voltaje se producen cuando se pasa del estado on al estado off. Las demás gráficas muestran una vista ampliada de la tensión drenador-surtidor (VDS) en este caso.
En el diagrama de la parte superior derecha aparece tensión de aproximadamente 250V cuando el dispositivo dispone de una tensión de ruptura de 30V. A pesar de que esta tensión sólo se aplica durante unos 100 ns, es suficiente para que a medio o largo plazo el dispositivo funcione de forma incorrecta y llegue a dañarse.
Los diagramas de la izquierda de la segunda fila muestran la tensión entre drenador y surtidor del MOSFET cuando conmuta la heated bed y dos tipos de resistencias del hotend. Los resultados muestran que las tensiones se encuentran fuera de las especificaciones del dispositivo (PSMN7R0-60YS) provocando tarde o temprano un mal funcionamiento de la placa electrónica.
De esta manera se implementa el siguiente circuito conmutador con diodos volantes para prevenir los picos de tensión, figura 6.27.
6.1.4.1. Salidas auxiliares
Las salidas auxiliares son aquellas en las que no se conmuta mucha potencia como por ejemplo:
LEDs RGB
Ventiladores
Relé
En la tabla 6.28 se muestran los consumos de los elementos auxiliares:
Elemento Consumo (mA) Potencia (W)
LEDs RGB 400 9,60
Ventilador disipador 65 1,56
Ventilador de capa 65 1,56
Relé 80 0,4
Se ha decido incorporar dos tiras con LEDs RGB para poder iluminar la máquina en condiciones de poca luz y además que el usuario sea capaz de seleccionar el color que más le guste, ya que con la combinación de los tres canales de color principales es posible generar cualquier color. Esta combinación se realiza mediante salidas PWM de 8 bits del microcontrolador, por lo que disponemos de 2553 = 16.581.375 combinaciones de color posibles.
Cada tira tiene 30 cm de longitud, una densidad de 60 LED/metro y consume 200 mA cuando el color es blanco (todos los canales al máximo), por lo que cada canal consume como máximo alrededor de 135mA.
Necesitamos un MOSFET por canal que sea capaz de conmutar 135 mA y soportar 24V. Al no ser mucha potencia, podemos utilizar MOSFETs con encapsulados pequeños como el SOT23-3 ahorrando espacio en la placa y pudiendo seguir soldándolo a mano. Se ha seleccionado el MOSFET de canal N de propósito general BSH103 de NXP debido a su bajo coste y su capacidad de conmutar corriente.
